基于TMS320C5402的語音信號(hào)壓縮存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 近年來，隨著多媒體信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字語音壓縮技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，尤其在可視電話、IP網(wǎng)絡(luò)電話、數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、公共交換電話網(wǎng)和話音存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域中，需要在保證語音一定質(zhì)量的前提下盡可能降低其編碼比特率，便于在有限的傳輸帶寬內(nèi)讓出更多的信道用于傳送圖像、文檔、計(jì)算機(jī)文件和其他數(shù)據(jù)流。本文研究A律壓縮算法的應(yīng)用，給出音頻接口芯片TLC320AD50C與TMS320C5402的接口設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的壓縮、存儲(chǔ)和回放。
1 語音信號(hào)壓縮原理
    μ/A律壓縮解壓編碼是國際電報(bào)電話協(xié)會(huì)CCITT(Consultative Committee for International Telegraph and Telephone)最早推出的G.711語音壓縮解壓編碼。其中歐洲和中國等國家采用A律壓縮解壓編碼，美國和日本等國家采用μ律壓縮解壓編碼。由于本系統(tǒng)采用A律壓縮解壓算法，這里只介紹A律壓縮原理。
    A律壓擴(kuò)的數(shù)學(xué)解析式為：
  
    式中：y為輸出信號(hào)；x為輸入信號(hào)；A為壓縮系數(shù)。
    由上式得知，小信號(hào)時(shí)為線性特性，大信號(hào)時(shí)近似為對(duì)數(shù)特性。這種壓擴(kuò)特性常把壓縮、量化和編碼合為一體。A律可用13段折線逼近(相當(dāng)于A=87.6)，便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)[1]。13段折線的壓縮特性如圖1所示。圖1分段為x取正值時(shí)的情況，而x取負(fù)值時(shí)，壓擴(kuò)特性與x取正值成奇對(duì)稱，在正8段和負(fù)8段中，正1、2段和負(fù)1、2段斜率相同，合為一段，所以原來的16段折線變?yōu)?3段折線。

    在進(jìn)行A律壓縮時(shí)，采樣后的12 bit數(shù)據(jù)，默認(rèn)其最高位為符號(hào)位，壓縮時(shí)要保持最高位即符號(hào)位不變，原數(shù)據(jù)的后11 bit要壓縮成7 bit。這7 bit碼由3 bit段落碼和4 bit段內(nèi)碼組成。壓縮變換后的數(shù)據(jù)根據(jù)后11 bit數(shù)據(jù)大小決定。具體的編碼表如表1所示。

2 系統(tǒng)硬件接口設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是G.711標(biāo)準(zhǔn)A律壓縮編碼的語音處理過程。系統(tǒng)以TMS320C5402為核心，完成語音壓縮、存儲(chǔ)、解壓功能。語音采集與輸出模塊采用TI公司推出的一款高性能的立體聲音頻Codec芯片TLC320AD50C，內(nèi)置輸入和輸出放大器，且對(duì)輸入和輸出都具有可編程增益調(diào)節(jié)。
2.1 模擬接口設(shè)計(jì)
    模擬信號(hào)輸入電路如圖2所示。語音信號(hào)放大器經(jīng)過前端放大器TLC2272ACD放大、帶通濾波、單輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)后，送入AD50C的A/D轉(zhuǎn)換器的差分輸入端（INP和INM）。A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為以二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的數(shù)字信號(hào)。

    模擬信號(hào)輸出電路如圖3所示。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、內(nèi)部低通濾波恢復(fù)的模擬信號(hào)從AD50C的OUTP管腳輸出。外部放大濾波電路選用LM356運(yùn)算放大器，放大后的信號(hào)送揚(yáng)聲器還原成聲音。

[!--empirenews.page--]2.2 數(shù)字接口的設(shè)計(jì)
    TLC320AD50C支持與TMS320C5402無縫對(duì)接，接口電路如圖4所示。將TLC320AD50C設(shè)置成主動(dòng)工作模式，輸入主時(shí)鐘MCLK為8.192 MHz，采樣頻率選擇為8 kHz，內(nèi)部PLL使能（控制寄存器4中的N=8）[2]。通過寄存器設(shè)置，將TMS320C5402的FSX、FSR、CLKR、CLKX配置為外部輸人，TLC320AD50C的SCLK配置為內(nèi)部產(chǎn)生。數(shù)據(jù)接收/發(fā)送幀同步信號(hào)、移位時(shí)鐘信號(hào)均由TLC320AD50C產(chǎn)生，串行口的接收/發(fā)送過程受TLC320AD50C的控制。

3 系統(tǒng)軟件接口設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示，軟件設(shè)計(jì)工作主要包括以下幾方面：

    (1)TMS320VC5402串口的初始化。首先將DSP串口0復(fù)位，再對(duì)串口0的寄存器進(jìn)行編程，使DSP串口工作在以下狀態(tài)：以SPI模式運(yùn)行，每幀一相，每相一個(gè)字，每字16 bit，幀同步脈沖低電平有效，并且?guī)叫盘?hào)和移位時(shí)鐘信號(hào)由外部產(chǎn)生[3]。
    (2)AD50C初始化。該初始化操作過程包括通過TMS320C5402的同步串口發(fā)送2串16 bit數(shù)字信息到AD50C。第一串為0000 0000 0000 0001B，最低有效位(bits0)為1，說明下一個(gè)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字屬于次通信。第二個(gè)數(shù)據(jù)用來對(duì)AD50C的4個(gè)控制寄存器的某一個(gè)進(jìn)行配置。15～11位為0，10～8位為所選寄存器地址值，7～0位為所選中寄存器的編程值。通過對(duì)4個(gè)可編程控制寄存器編程，使AD50C工作在以下狀態(tài)：選擇INP/INM為工作模擬輸入，15+1 bit ADC和15+1 bit DAC模式，不帶從機(jī)，采樣頻率為8 kHz，模擬信號(hào)輸入和輸出放大增益均為0 dB[4]。4個(gè)寄存器初始化需要4個(gè)主通信和次通信。
      (3)壓擴(kuò)算法的實(shí)現(xiàn)。TMS320C5402內(nèi)部的緩沖串口（McBSPs）帶有硬件實(shí)現(xiàn)的μ律和A律壓縮解壓，用戶只需要在相應(yīng)寄存器中進(jìn)行設(shè)置就可以了,本系統(tǒng)通過軟件編程來完成線性碼轉(zhuǎn)換成A律。在主程序中通過A/D抽樣量化得到線性編碼，再由編碼表通過軟件計(jì)算得到8 bit A律編碼，其中最高位為符號(hào)位，第6 bit到第4 bit為段落碼，低4 bit為段內(nèi)碼。將8 bit的壓縮結(jié)果存儲(chǔ)到系統(tǒng)RAM中進(jìn)行緩存，根據(jù)抽樣率、語音存儲(chǔ)時(shí)間以及系統(tǒng)RAM的容量設(shè)置語音存儲(chǔ)緩沖區(qū)的大小，待緩沖區(qū)存滿后，將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮，然后輸出到SPEAKER接口輸出。
4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    硬件調(diào)試成功后，使錄音時(shí)間達(dá)到5 s左右。通過CCS觀察數(shù)據(jù)圖形，圖6為壓縮前的語音信號(hào)波形，圖7為壓縮后的語音信號(hào)波形；通過回放，試聽解壓后語音信號(hào)無明顯失真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了語音信號(hào)的壓縮存儲(chǔ)。

    本文所介紹的MS320C5402與TLC320AD50C的組成語音壓縮存儲(chǔ)系統(tǒng)，接口電路簡單，編程方便，且程序代碼已在CCS3.1開發(fā)環(huán)境上得到驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)
[1] 宋依青，何松.一種基于DSP語音信號(hào)線性與非線性量化相互轉(zhuǎn)換的新方法[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2008(11)：36-39.
[2] 徐速.基于DSP的實(shí)時(shí)語音壓縮[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007(2)：61-64.
[3] 李利.DSP原理及應(yīng)用實(shí)用技[M].北京：中國水利水電出版社，2004：200-210.
[4] TLC320ADC/TLC320AD52C Data Manual. Texas Instruments，2002.